金華市四類氣態(tài)污染物及細(xì)顆粒物PM10的污染特征分析

浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 嚴(yán)婷婷，胡文韜，陳晶晶，劉萍萍，郭婷

隨著金華城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣污染問題日益嚴(yán)重，金華作為浙中地區(qū)最重要的交通樞紐，發(fā)達(dá)的道路交通帶來車流量的日益增加，大量的汽車尾氣直接排放到大氣中，會導(dǎo)致氣態(tài)污染物的大量產(chǎn)生。依據(jù)新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，金華市2013年1至12月空氣質(zhì)量優(yōu)良率僅為57.1%。在超標(biāo)的154d中，首要污染物為細(xì)顆粒物(PM2.5)的天數(shù)118d，占75.2%，首要污染物為臭氧的天數(shù)為41d，占26.1%；金華市2014和2015年的空氣質(zhì)量優(yōu)良率分別為65.4%和79.4%[1]；相比而言，金華市空氣質(zhì)量逐年改善，但大氣污染仍然不容忽視。項(xiàng)成龍等[1]指出，金華市2013年大氣污染源SO2排放總量約為3.83萬t，NOx約為7.75萬t、CO約為12.50萬t、PM10約為4.10萬t，PM2.5約為1.88萬t、VOC約為7.66萬t、NH3約為2.63萬t。毛敏娟等[2]指出，浙江省SO2濃度呈冬秋春夏依次降低的季節(jié)性變化規(guī)律。冬季SO2濃度都較高主要是冬季大氣擴(kuò)散條件比較差。徐冰燁等[3]指出，浙江省內(nèi)PM10為城市大氣中首要污染物，NO2污染負(fù)荷呈顯著上升趨勢，表明浙江省城市空氣污染特征逐漸從煤煙型污染過渡到機(jī)動車尾氣型污染。根據(jù)國家環(huán)保部公布的數(shù)據(jù)，金華市區(qū)2014年P(guān)M2.5年均濃度為64ug/m3，超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（35ug/m3）85%，2015年P(guān)M2.5年均濃度為54ug/m3，超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（35ug/m3）54.3%[3]。進(jìn)一步削減大氣污染物濃度，改善空氣質(zhì)量是金華市環(huán)保管理的一項(xiàng)重要任務(wù)。

目前對金華市氣態(tài)污染物的研究較少，尚未見到對上述4種基本氣態(tài)污染物全年污染特征及日變化特征的全面研究。本文重點(diǎn)探究了金華市 SO2、NO2、CO、O3的濃度水平、季節(jié)變化和日變化特征，以及PM10的日變化特征和與氣態(tài)污染物之間的相關(guān)性，并探討交通尾氣排放對氣態(tài)污染物濃度的影響，以期為進(jìn)一步掌握金華城區(qū)大氣污染狀況和后續(xù)的治理措施提供了重要的依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）區(qū)域特征

金華市位于浙江省的中部，為省轄地級市，界于東經(jīng)119。14′至 120。46′30′′, 北緯 28。32′至29。41′，長江三角洲中心區(qū)的一個(gè)重要城市，地處金衢盆地東段，地勢南北高、中部低。為亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明，雨量、雨日偏少，日照偏多，常年平均氣溫為18.9℃，相對濕度66.7%。

（二）數(shù)據(jù)來源與監(jiān)測點(diǎn)位

本文涉及的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)均來自中國環(huán)境監(jiān)測總站（http://www.cnemc.cn/）,包括了2019年至2020年金華監(jiān)測中心站監(jiān)測點(diǎn)、武警支隊(duì)監(jiān)測點(diǎn)和金華十五中監(jiān)測點(diǎn)的細(xì)顆粒物PM10、SO2、NO2、CO、O3小時(shí)濃度和O3濃度的8小時(shí)平均值（O3-8）。表1為三個(gè)金華城區(qū)空氣自動監(jiān)測子站站點(diǎn)名稱及位置。

表1 金華城區(qū)空氣自動監(jiān)測子站站點(diǎn)名稱及位置

（三）數(shù)據(jù)處理方法

本文以金華市冬季2019年12月1日至2020年1月30日；夏季2020年7月1日至2020年8月30日，三個(gè)大氣自動監(jiān)測點(diǎn)子站各大氣污染物2h濃度均值為基礎(chǔ)，研究大氣污染物的日變化特征和相關(guān)性。

對 PM10、SO2、NO2或 CO，各監(jiān)測點(diǎn)的日均值濃度為當(dāng)天小時(shí)濃度的算術(shù)平均值；O3用濃度的日最大8h平均值（O3-8hmax）代表各監(jiān)測點(diǎn)的O3日均濃度水平。

二、結(jié)果與討論

（一）大氣污染物的日變化特征

（1）SO2、NO2、CO 和 O3的日變化和季節(jié)變化特征

NO2的濃度在冬夏兩季的早晨8時(shí)和午后（20時(shí)至22時(shí)）有兩個(gè)峰值（圖1a），呈現(xiàn)出“雙峰”，冬季早晨的峰值不顯著。NO2濃度在日出后逐漸升高，并在8時(shí)左右出現(xiàn)一個(gè)高峰，夏季峰值較冬季明顯，這與上班早高峰重合；早高峰過后，隨著車流量減少，NO2濃度開始降低并出現(xiàn)谷值；而且午后空氣流動性強(qiáng)，太陽輻射強(qiáng)烈，NO2在光照的作用下，和OH自由基之間的氣相反應(yīng)明顯，NO2轉(zhuǎn)化為NO3-[6]，傍晚6時(shí)后，晚高峰造成的汽車尾氣排放，導(dǎo)致NO2濃度再次上升并形成高峰。且夏季NO2的濃度比冬季NO2的濃度低很多，因?yàn)橄募竟庹諒?qiáng)烈，光化學(xué)反應(yīng)劇烈，NO向NO-23轉(zhuǎn)化量大。

O3的濃度曲線（圖1c）中有一個(gè)“單峰”，峰值出現(xiàn)在下午16時(shí)。從早晨8時(shí)，O3濃度開始上升，因?yàn)椋粘龊螅饣瘜W(xué)反應(yīng)會有所增加。研究表明，太陽輻射強(qiáng)度是影響O3濃度變化特征的主要因素[7]。下午16時(shí)，O3達(dá)到峰值后開始降低，而NO2濃度開始升高，這與NO2呈負(fù)相關(guān)。城市中的臭氧主要是其前體物NOx、CO和VOCs等在一定的氣象條件下形成的[8]。

CO濃度呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象（圖1d），濃度水平在空氣中整體的濃度含量較低，主要是來自工業(yè)過程與汽車尾氣，是移動源和固定污染源的雙重指示物[9]。因此，CO的濃度日變化與NO2和SO2存在相似之處。CO的濃度在日出后升高，并逐漸到達(dá)峰值，主要是受到機(jī)動車尾氣與工業(yè)過程的雙重影響；隨著工業(yè)排放對CO的貢獻(xiàn)趨于穩(wěn)定，午后CO濃度逐漸降低，并達(dá)到谷值，在傍晚18：00的晚高峰時(shí)，CO濃度有一些回升，再次出現(xiàn)一個(gè)峰值。

SO2的日變化在各季節(jié)均呈“雙峰”（圖1b），SO2濃度在日出后，逐漸開始上升，于正午前10時(shí)左右出現(xiàn)一個(gè)峰值，這主要是受工業(yè)生產(chǎn)中燃料燃燒排放的影響[10]；午后，太陽輻射有所減弱，但是大氣及地面的累積溫度升高，局部溫差增大，導(dǎo)致空氣的流動性增強(qiáng)，有利于大氣污染物SO2的擴(kuò)散，使SO2濃度降低；傍晚，由于一部分企業(yè)停止工業(yè)生產(chǎn)排放，SO2濃度出現(xiàn)較低值；日落后，大氣邊界層趨于穩(wěn)定，SO2濃度有所回升。

圖1 氣態(tài)污染物日變化濃度曲線圖

總體來說，NO2、SO2、和CO濃度都在冬季最高。而O3濃度在冬季最低。NO2、SO2、和CO這三種氣態(tài)污染物，在濃度趨勢上，具有一致性。都在早晨6：00-8：00開始上升，并出現(xiàn)一個(gè)峰值，O3和NO2受光照影響大，光照強(qiáng)時(shí)，光化學(xué)反應(yīng)顯著，NO2向NO3-轉(zhuǎn)化，且光化學(xué)反應(yīng)生成O3；在傍晚至夜間再次出現(xiàn)一個(gè)峰值。冬季NO2、SO2、和CO濃度高，是因?yàn)槎救∨^程的污染物排放量大，邊界層降低，不利于污染物擴(kuò)散，均促使氣態(tài)污染物濃度保持在一個(gè)較高的水平。NO2、SO2、和CO濃度整體在夏季都較低，夏季溫度高，降水量大，雨水對這三種氣態(tài)污染物都具有濕沉降清除作用。O3濃度與NO2、SO2、和CO這三種氣態(tài)污染物濃度情況相反，在夏季濃度最高，秋冬季最低。因?yàn)橄募镜奶栞椛鋭×遥欣诠饣瘜W(xué)反應(yīng)生成O3。

（2）PM10的日變化和季節(jié)變化特征

PM10選取季節(jié)差異大的兩個(gè)季節(jié)冬季和夏季，圖2中，冬季小時(shí)質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在22時(shí)，最小值出現(xiàn)在18時(shí)；夏季小時(shí)質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在22時(shí)，最小值出現(xiàn)在凌晨4時(shí)。總體上，PM10質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出夜間22時(shí)達(dá)到最高值，凌晨4時(shí)和12-18時(shí)出現(xiàn)最低值。說明大氣中PM10在夜間22時(shí)的質(zhì)量濃度最大，污染較嚴(yán)重，這與該區(qū)人為排放源和大氣擴(kuò)散條件日變化有較大的關(guān)系。而且夜間氣溫低，大氣穩(wěn)定度高，不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致了PM10的濃度夜間高于白天。

圖2 PM10冬夏季質(zhì)量濃度變化趨勢圖

（二）大氣污染物的相關(guān)性分析

細(xì)顆粒物(PM10)與氣態(tài)污染物 NO2、SO2、CO、O3的質(zhì)量濃度之間存在一定的相關(guān)性，大氣污染物與溫度、濕度，以及太陽高度角也存在一定的相關(guān)性。本節(jié)內(nèi)容應(yīng)用SPSS軟件，來研究顆粒物PM10、大氣污染物和環(huán)境因素之間的相關(guān)性，得出其相關(guān)系數(shù)。因?yàn)槎九c夏季差異明顯，主要分析了冬夏兩季的線性相關(guān)關(guān)系，PM10與4種氣態(tài)污染物、各環(huán)境因素之間的冬季相關(guān)性系數(shù)如表2所示，冬季相關(guān)性系數(shù)如表3所示。

表2 冬季相關(guān)性

表3 夏季相關(guān)性

由相關(guān)性系數(shù)可以看出，冬季細(xì)顆粒物PM10與氣態(tài)污染物NO2、SO2、CO、O3均存在一定的線性相關(guān)，NO2、SO2、O3這三種氣態(tài)污染物為正相關(guān)，而O3為負(fù)相關(guān)。而夏季，細(xì)顆粒物PM10與氣態(tài)污染物NO2、CO、O3均呈正相關(guān)，與SO2相關(guān)性較小。因?yàn)镺3在冬季濃度較低，而在夏季，隨著太陽輻射增強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)明顯，O3濃度較高，所以O(shè)3在冬季時(shí)與大氣污染物呈負(fù)相關(guān)，在夏季時(shí)呈正相關(guān)，而且相關(guān)性較明顯。SO2在冬季濃度較高，在夏季濃度較低，因?yàn)橄募酒髽I(yè)因?yàn)楦邷兀瑫和９S的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，工業(yè)排放降低；而且夏季雨量大，濕沉降明顯，降低了大氣種SO2濃度，從而降低了SO2與其他大氣污染物的相關(guān)性。

太陽高度角在冬季與夏季和NO2、O3都具有強(qiáng)相關(guān)性，與NO2成負(fù)相關(guān)，而O3呈正相關(guān)，這與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)聯(lián)，太陽高度角越大，光照越強(qiáng)烈，促進(jìn)光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，NO2向HNO3(NO3-)的轉(zhuǎn)化非常強(qiáng)烈，NO2和OH自由基的均相反應(yīng)是硝酸在白天形成的主要途徑。夏季，太陽輻射強(qiáng)烈，有利于生成O3的光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。溫度與濕度對NO2、CO、O3都具有相關(guān)性，NO2向HNO3轉(zhuǎn)化主要受溫度的控制。CO和O3的產(chǎn)生和溫濕度都有關(guān)。

三、結(jié)論

2018年金華市大氣污染物NO2、SO2、和CO濃度全年中，普遍在冬季最高，夏季較低，而O3正好相反。氣態(tài)污染物的時(shí)間分布受人為因素和氣象因素的共同影響。

細(xì)顆粒物PM10、氣態(tài)污染物NO2、SO2、CO、O3和氣象因素等之間都具有一定的相關(guān)性。